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통합 전 삼척군 지역은 1980년까지 강원특별자치도내 20개 시·군 가운데 가장 면적이 넓고 인구도 많았다. 그러나 여러 차례 행정구역이 개편되면서 면적과 인구의 감소로 1990년에는 22개 시·군 가운데 인구순위 10위가 되었다. 인구증감추이를 좀더 자세히 살펴보면, 8·15해방 이후 인구수는 꾸준히 증가하여 1979년에는 29만 9,905명에 이르렀으나, 1980년에 북평읍이 동해시로 편입되고 1981년에 장성읍과 황지읍이 태백시로, 그리고 1986년에 삼척읍이 삼척시로 분리·독립됨에 따라 인구가 급격히 감소했다.

1986년 이후에도 인구감소는 계속되었는데, 이는 행정구역개편에 따른 것이 아니라 순수 인구유출에 의한 감소였다. 한편 통합 전 삼척시의 1970년 이후의 인구증감추이를 보면, 시 승격 이전인 1985년까지 매년 꾸준히 인구가 증가했으나 1986년 시 승격 이후 정체 또는 미약한 감소추세를 보였다. 도시내 농업·어업 인구의 지속적인 이출과 더불어 주요경제활동의 침체 및 도시기반시설 미비 등이 인구감소의 주요요인으로 작용했다. 이 기간 동안 남녀의 성비는 두드러진 남초현상이 나타나는데, 특히 15~19세 연령층이 101.1：100인 데 비해 20~24세는 무려 137.1：100에 이른다. 이는 시멘트 산업이 이 지역의 기간산업이라는 점과 당시 삼척공업전문대학 재학생 중 남학생의 비중이 압도적으로 우세했다는 사실이 이를 어느 정도 설명해준다.

1995년 도농통합 후의 삼척시 인구는 8만 9,986명으로 증가했다. 2023년 기준 인구는 6만 3,202명이다. 행정동별로 볼 때 읍·면지역에 전체인구의 약 42.8%가 분포하며, 동지역에 나머지 인구가 분포한다.

도계읍에는 시 전체 인구의 18%가 분포하고 있다. 특히 산업구조면에서 광업의 비중이 높았던 삼척시는 성비에 있어서 오랫동안 남초현상을 보여왔다. 동양시멘트 삼척공장이 있는 사직동과 삼척산업대학이 있는 교동의 성비도 102：100이다. 도계읍·남양동·정라동의 3개 지역에 시 전체인구의 절반이 분포하고 있다. 인구밀도를 보면, 남양동(576.3명/㎢)·교동(950.0명/㎢)·정라동(4,211.3명/㎢)이 고밀도지역인 반면 하장면(7.8명/㎢)·노곡면(5.8명/㎢)·가곡면(5.2명/㎢)·신기면(15.1명/㎢) 등이 저밀도 지역이다. 통합시 이전의 시역에 해당하는 동지역 중에서는 교동(1만 5,798명)과 정라동(8,543명)에 전체 동지역 인구의 57%가 거주하고 있다. 도원동은 임야면적에 비해 인구밀도가 214명/㎢에 불과해 전형적인 도시내 산간농업 지역임을 알 수 있다. 절대인구 감소와는 반대로 주택보급률은 높아져 2006년 146.58%로 증가했다.